自平衡角式截止閥的設(shè)計(jì)和計(jì)算

2013-11-02 胡旭沈陽(yáng)盛世高中壓閥門(mén)有限公司

　　介紹了自平衡角式截止閥的工作原理及材料選用，提供了一次薄膜應(yīng)力極限計(jì)算公式和強(qiáng)度及其性能試驗(yàn)。

1、概述

　　在合成氨生產(chǎn)系統(tǒng)和制冷系統(tǒng)中應(yīng)用的角式截止閥，開(kāi)啟高度小，密封面摩擦力小，制造工藝好，維修方便。由于截止閥屬于強(qiáng)制密封式閥門(mén)，所以在閥門(mén)關(guān)閉時(shí)，必須向閥瓣施加壓力，以強(qiáng)制密封面不泄漏。為了使閥門(mén)開(kāi)關(guān)更省力，設(shè)計(jì)了自平衡角式截止閥。

2、技術(shù)參數(shù)

　　公稱尺寸DN65；公稱壓力PN450；工作介質(zhì)空氣、氮?dú)狻錃狻睔狻⒑猓还ぷ鳒囟?40～50℃；連接方式法蘭連接；驅(qū)動(dòng)裝置手輪。

3、工作原理

　　角式截止閥的介質(zhì)流向?yàn)榈瓦M(jìn)高出，即介質(zhì)由閥瓣下方進(jìn)入閥門(mén)。在此工況條件下，開(kāi)啟閥門(mén)需要克服的阻力是閥桿和填料的摩擦力，關(guān)閉閥門(mén)需要克服的阻力是閥桿和填料的摩擦力與由介質(zhì)的壓力所產(chǎn)生的推力。由于關(guān)閉閥門(mén)的力比開(kāi)啟閥門(mén)的大，所以按照關(guān)閉閥門(mén)力設(shè)計(jì)的閥桿直徑較大(否則會(huì)發(fā)生閥桿頂彎的故障)，因此增大了閥門(mén)體積和質(zhì)量。經(jīng)過(guò)分析，將閥瓣和閥桿端部設(shè)置成壓力自平衡結(jié)構(gòu)(圖1)。

　　采用自平衡結(jié)構(gòu)后，閥門(mén)關(guān)閉時(shí)，介質(zhì)通過(guò)閥瓣和閥桿的壓力自平衡孔進(jìn)入閥瓣上腔，減小了介質(zhì)在閥瓣兩側(cè)的壓力差或流量差，用以調(diào)節(jié)壓力的相對(duì)平衡。閥門(mén)開(kāi)啟時(shí)，介質(zhì)再由壓力自平衡孔返回閥體內(nèi)部，減小了由介質(zhì)壓力所產(chǎn)生的推力，使開(kāi)關(guān)更省力。

4、材料選用

　　自平衡角式截止閥主要由閥體、閥瓣、端法蘭、閥蓋、閥桿和壓蓋等組成(表1)。

　　閥體、法蘭和閥瓣等零部件材料選用奧氏體不銹鋼0Cr17Ni12Mo2。在奧氏體不銹鋼中，Mo元素可以促進(jìn)強(qiáng)化相的產(chǎn)生，有利于材料強(qiáng)度的提高，Mo的耐蝕性能顯著，特別是和Cr相互作用的效果更明顯，可以增加閥門(mén)的耐蝕性能。

　　閥瓣蓋和閥桿采用沉淀硬化不銹鋼0Cr17Ni4Cu4Nb，此材料對(duì)大氣及稀釋酸或鹽具有良好的抗腐蝕能力。0Cr17Ni4Cu4Nb經(jīng)過(guò)固溶和時(shí)效熱處理后，可以提升材料的機(jī)械性能，從而獲得合適的強(qiáng)度和硬度。

自平衡角式截止閥

1.法蘭 2.閥體 3.閥瓣 4.閥瓣蓋 5.閥桿 6.閥蓋 7.閥桿座 8.填料壓蓋 9.軸承座 10.軸承 11.閥桿螺母 12.油杯 13.撞擊塊 14.撞擊手輪 15.鎖緊螺母 16.鍵

圖1 自平衡角式截止閥

5、設(shè)計(jì)計(jì)算

　　自平衡角式截止閥按照GB/T 12233-2006、GB/T 12235-2007和JB/T 53174-94設(shè)計(jì)，并根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行閥體壁厚、閥桿強(qiáng)度、閥體與閥蓋連接螺栓強(qiáng)度的校核及一次薄膜應(yīng)力極限分析，分析結(jié)果達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

　　應(yīng)力分析遵循RCC-MB3552.1，一次薄膜應(yīng)力基本上是由內(nèi)壓產(chǎn)生的。在內(nèi)壓作用下，閥體的最高應(yīng)力是在閥頸與閥體端部交接處的拐角區(qū)，其特點(diǎn)是有一個(gè)環(huán)向拉應(yīng)力垂直于閥頸和閥體端部中心線的平面(圖2中面積Am)。

表1 主要零部件材料

主要零部件材料

6、試驗(yàn)

　　6.1、強(qiáng)度試驗(yàn)

　　封閉整個(gè)承壓殼體，使閥門(mén)處于部分開(kāi)啟狀態(tài)，給體腔內(nèi)充滿水，將試驗(yàn)壓力升至67.5MPa，保壓5min，承壓殼體(包括閥體與閥蓋螺紋連接處和填料處)無(wú)滲漏、破裂及永久性變形。

　　6.2、性能試驗(yàn)

　　(1)密封性能試驗(yàn)

　　將被測(cè)角式截止閥安裝在試驗(yàn)系統(tǒng)中(圖3)。

閥門(mén)性能試驗(yàn)系統(tǒng)

F.被測(cè)閥 F1、F3.充氣閥門(mén) F2、F4.放氣閥門(mén) P.壓力表

圖3 閥門(mén)性能試驗(yàn)系統(tǒng)

　　關(guān)閉角式截止閥F、充氣閥F3和放氣閥F4，打開(kāi)充氣閥F1和放氣閥F2，緩慢充入氮?dú)猓瑝毫︖_(dá)到45MPa，保壓5min。從放氣閥F2處觀察泄漏情況，其泄漏率<12個(gè)氣泡/min。

　　關(guān)閉角式截止閥F、充氣閥F1和放氣閥F2，打開(kāi)充氣閥F3和放氣閥F4，緩慢充入氮?dú)猓瑝毫︖_(dá)到45MPa，保壓5min，從放氣閥F4處觀察泄漏情況，其泄漏率不高于12個(gè)氣泡/min。

　　(2)動(dòng)作性能試驗(yàn)

　　將被測(cè)角式截止閥安裝在試驗(yàn)系統(tǒng)中。關(guān)閉放氣閥F2和F4及充氣閥F3，打開(kāi)充氣閥F1和被測(cè)角式截止閥F，緩慢充入氮?dú)猓箟毫︖_(dá)到45MPa，手動(dòng)操作開(kāi)關(guān)閥門(mén)，閥門(mén)動(dòng)作靈活，無(wú)卡阻。